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LED光通信光源
• LED可以应用到实现电信号到光信号的转换
中。
– 模拟信号与数字信号
工作波长、速率、功率
• 1310nm
– 石英光纤
• 650nm
– 塑料光纤通信
• 白光LED
– 自由空间光通信
• 速率
– 几百Mbit/s到1Gbit/s
• 光功率
– 根据应用不同而不同
– 塑料光纤可以允许光斑
直径大于1mm。
LED的暂态响应
注入载流子的连续方程
小信号注入的载流子
代入得到两个方程
𝜕𝑛(𝑥)
𝑛 𝑥
𝜕2𝑛
=−
+ 𝐷𝑛 2
𝜕𝑡
𝜏
𝜕𝑥
𝑛 𝑥, 𝑡 = 𝑛0 𝑥 + 𝑛1 𝑥 exp(𝑖𝜔𝑡)
𝜕 2 𝑛 0 𝑛0
𝐷𝑛
−
=0
2
𝜕𝑥
𝜏
𝜕 2 𝑛1 𝑛1 (1 + 𝑖𝜔𝜏)
𝐷𝑛
−
=0
𝜕𝑥 2
𝜏
扩散长度为
𝐿𝑛 = (𝐷𝑛 𝜏)1/2
定义一个频率函数的扩散长度
得到方程
由边界条件
𝐷𝑛 𝜏 1/2
𝐿𝑛 (𝜔) = (
)
1 + 𝑖𝜔𝜏
𝜕 2 𝑛1 (𝑥)
𝑛1 (𝑥)
= 2
𝜕𝑥 2
𝐿𝑛 (𝑤)
𝑛1 𝑥 = 0 = 𝑛1 0
𝑛1 𝑑 = 0
得到方程的解为：
−𝑥
𝑛1 𝑥 = 𝑛1 0 exp(
)
𝐿𝑛 𝜔
定义LED的暂态响应为
𝑒𝐽𝑝ℎ1 (𝜔)
𝑟 𝜔 =
𝐽1 (𝜔)
光子流密度为
𝐽𝑝ℎ1 𝜔 =
1
𝜏
𝑛1 𝑥 𝑑𝑥
电流密度
𝐽1 𝜔 = 𝑒𝐷𝑛
𝜕𝑛1 (𝑥)
𝜕𝑥
根据暂态响应的定义
3dB截止频率
𝐿𝑛 (𝑤)
𝑟 𝜔 =
𝜏𝐷𝑛
2
1
=
(1 + 𝜔 2 𝜏 2 )1/2
𝜔𝑐
1
𝑓𝑐 =
=
2𝜋 2𝜋𝜏
1 1
1
= +
𝜏 𝜏𝑟 𝜏𝑛𝑟
• 调制带宽受限于载流子的复合寿命，0.5纳秒，因此LED
的理论调制速率极限为GHz。
• 当非辐射复合寿命极小时，载流子的寿命将缩短，可以
提高LED的调制速率，但光功率将降低。
【例题】一个GaAs材料的LED，在温度300K时，注入电流
密度为100A/cm2, 500A/cm2 和1000A/cm2。有源区的宽度
为1微米，计算3dB的截止调制频率。假定注入效率为1，
暂态响应只受限于电子空穴的复合寿命。如果有源区厚
度变为0.1微米呢？
有谐振腔的发光二极管（RCLED）
• 有谐振腔的发光二极管是一种在光腔内有光发射区的
LED。
• 光腔的厚度通常是LED光发射波长的一半或两倍，即对可
见光LED而言，
• 腔厚是十分之几微米。腔的谐振波长与有源区光发射的波
长谐振或一致。
• 位于谐振腔内的自发发射受到谐振影响而增强。
RCLED的设计考虑
• RCLED的结构原理如图所
示。
• 有源层吸收系数为α，厚
度为Lactive,有源区两侧
是限制层，
• 限制层外是反射率各为
R1、R2的反射镜（R1、R2
必须不相等）。
• 腔长Lcav等于驻波波长的
1/2。
RCLED示意图
发射波长为650nm的RCLED
用AlGaInP系材料可得到可见光波段的RCLED。
GaInP/AlGaInP MQW RCLED 层结构图
RC LED优点
• 沿轴向光强更强，是普通LED的2-10倍
• 光谱更纯，发射光谱谱线更窄
• RC LED比相应的VCSEL LD制造成本低，更适
用于1Gbit/s，距离小于5公里的局域网应
用。
• 目前在650nm塑料光纤通信中，最好的选
择。
双极型晶体发光管
• 结合晶体管的高速与LED的发光特性，实现高速大功率
LED光源。